DE10056329B4

DE10056329B4 - Optical distance measuring method and distance sensor

Info

Publication number: DE10056329B4
Application number: DE2000156329
Authority: DE
Inventors: Joseph Cohen Aix en Provence Saban
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2000-11-14
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: DE10056329A1

Abstract

Optisches Abstandsmeßverfahren, insbesondere zur Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes (10, 10') einer Werkstückbearbeitungsanlage von der Oberfläche (16) eines zu bearbeitenden Werkstücks (17), bei dem
– ein Leuchtobjekt (25) auf eine Oberfläche (16), insbesondere auf die Oberfläche (16) eines zu bearbeitenden Werkstücks (17) abgebildet wird,
– das Bild (26) des Leuchtobjektes (25) auf der Oberfläche (16) auf eine Empfangsanordnung (31) abgebildet wird, in der
– das einfallende Bild einer dem Leuchtobjekt (25) entsprechenden Ortsfilterung unterzogen wird, und
– der ortsgefilterte Lichtstrom (Φ) für zwei vorgegebene Wellenlängenbereiche (λ1, λ2) erfaßt wird, um für jeden der vorgegebenen Wellenlängenbereiche (λ1, λ2) ein entsprechendes Lichtstrom-Meßsignal (Φ1, Φ2) zu liefern, und
– die zwei Lichtstrom-Meßsignale (Φ1, Φ2) jeweils mit den entsprechenden Wellenlängenbereichen zugeordneten Sollwerten (Φ1_soll, Φ2_soll) verglichen werden, die einer vorgebbaren Soll-Lage (20) der Oberfläche (16) entsprechen, um ein dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage (20) entsprechendes Ausgangssignal (Uout) zu...Optical distance measuring method, in particular for controlling the distance of a machining head (10, 10 ') of a workpiece machining system from the surface (16) of a workpiece (17) to be machined, in which
A luminous object (25) is imaged on a surface (16), in particular on the surface (16) of a workpiece (17) to be machined,
- The image (26) of the luminous object (25) on the surface (16) is imaged on a receiving arrangement (31), in the
- The incident image is subjected to the luminous object (25) corresponding to spatial filtering, and
- The spatially filtered luminous flux (Φ) for two predetermined wavelength ranges (λ1, λ2) is detected to provide a corresponding luminous flux measurement signal (Φ1, Φ2) for each of the predetermined wavelength ranges (λ1, λ2), and
- The two luminous flux measuring signals (Φ1, Φ2) in each case with the corresponding wavelength ranges associated setpoints (Φ1 _soll , Φ2 _soll ) are compared to a predetermined target position (20) of the surface (16) correspond to the distance of the surface from the desired position (20) corresponding output signal (Uout) to ...

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Abstandsmeßverfahren und einen optischen Abstandssensor, insbesondere zur Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage von der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. Weiter betrifft die Erfindung einen Laserbearbeitungskopf für eine Werkstückbearbeitungsanlage, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Abstandsmeßverfahren mit einem Abstandssensor ausgerüstet ist.The The invention relates to an optical distance measuring method and an optical Distance sensor, in particular for controlling the distance of a machining head a workpiece machining system from the surface a workpiece to be machined. Furthermore, the invention relates to a laser processing head for a workpiece processing system, the one to carry of the distance measuring method according to the invention equipped with a distance sensor is.

Um Werkstücke mittels eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage in gleichbleibender Qualität zu bearbeiten, ist es erforderlich, daß der Bearbeitungskopf stets in einem bestimmten Abstand zur Oberfläche des Werkstücks geführt wird. Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahl, also beim Laserschneiden oder Laserschweißen, ist es beispielsweise erforderlich, daß der Arbeitsfokus des Laserstrahls in einer bestimmten Position relativ zur Werkstückoberfläche gehalten wird.Around workpieces by means of a machining head of a workpiece machining system in a constant quality To process, it is necessary that the machining head always is guided at a certain distance to the surface of the workpiece. When machining workpieces by laser beam, so when laser cutting or laser welding is For example, it requires that the working focus of the laser beam held in a certain position relative to the workpiece surface.

Zur Regelung des Abstands eines Bearbeitungskopfes, wie beispielsweise eines Laserbearbeitungskopfes ist es bekannt, die Kapazität zwischen einer Meßsonde und der Werkstückoberfläche zu erfassen, um aus Kapazitätsänderungen ein Stellsignal für den Abstand des Bearbeitungskopfes abzuleiten. Eine derartige kapazitive Abstandsmeßung zur Regelung des Abstands zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf ist beispielsweise aus der DE 40 20 196 C2 bekannt.To control the distance of a machining head, such as a laser processing head, it is known to detect the capacitance between a probe and the workpiece surface in order to derive from capacitance changes a control signal for the distance of the machining head. Such a capacitive distance measurement for controlling the distance between the workpiece and the machining head is for example from DE 40 20 196 C2 known.

Die kapazitive Abstandsmeßung hat zwar den Vorteil, daß sie unabhängig von der Arbeitsrichtung des Bearbeitugskopfes ist, ist aber nur bei leitenden Werkstücken einsetzbar.The capacitive distance measurement Although it has the advantage that it independently is from the working direction of the processing head, but is only for conductive workpieces used.

Optische Abstandsmeßverfahren haben dem gegenüber den Vorteil, daß sie unabhängig von der Leitfähigkeit des zu bearbeitenden Werkstücks eingesetzt werden können.optical distance measurement have that opposite the advantage that they independently from the conductivity of the workpiece to be machined can be used.

Aus der DE 40 05 453 A1 ist eine optische Einrichtung zur Abstandsme ßung bei der Lasermaterialbearbeitung bekannt, bei der außen an einer Laserbearbeitungsdüse ein Meßlaser angebracht ist, der neben der Wechselwirkungszone der Arbeitslaserstrahls einen Meßpunkt erzeugt wobei durch Auswertung des im Meßpunkt reflektierten Laserlichts der Abstand ermittelt wird. Da bei dieser bekannten Abstandsmeßvorrichtung der Meßpunkt auf einer Seite neben der Wechselwirkungszone liegt, wird der Arbeitsfokus des Arbeitslaserstrahls bei einem verkippten Werkstück entweder etwas zu hoch oder etwas zu tief eingestellt.From the DE 40 05 453 A1 is an optical device for Abstandsme tion in the laser material processing is known in which the outside of a laser machining nozzle, a measuring laser is mounted, which generates a measuring point next to the interaction zone of the working laser beam wherein the distance is determined by evaluating the laser light reflected at the measuring point. Since in this known Abstandsmeßvorrichtung the measuring point is located on one side next to the interaction zone, the working focus of the working laser beam is set at a tilted workpiece either a little too high or a little too low.

Aus der WO 88/10406 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Messung von Abständen zwischen einem optischen Element mit großer chromatischer Aberration und einem Gegenstand bekannt, bei dem eine linienförmige Lichtquelle von einer farbfehlerbehafteten Linse auf eine Oberfläche abgebildet wird, deren Profil zu erfassen ist. Das Bild der linienförmigen Lichtquelle wird von der Linse dann auf einen Spalt eines Monochromators abgebildet, der als Empfänger eine zweidimensionale Schwarz-Weiß-CCD-Kamera aufweist. Die Spalten- oder Y-Richtung entspricht dabei den einzelnen Punkten oder Abschnitten des Spaltes, während die Zeilen- oder H-Richtung der Wellenlänge λ zugeordnet ist.Out WO 88/10406 A1 is already a device for measuring intervals between an optical element with large chromatic aberration and an object known in which a linear light source from a color-defective lens imaged on a surface whose profile is to be recorded. The image of the linear light source is then imaged by the lens on a slit of a monochromator, as the recipient has a two-dimensional black and white CCD camera. The Column or Y direction corresponds to the individual points or sections of the gap while the line or H direction of the wavelength λ is assigned.

Jede Zeile der CCD-Kamera zeichnet somit ein vollständiges Spektrum für einen zugeordneten Spaltabschnitt auf. Die Abstände der einzelnen Oberflächenbereiche voneinander bzw. von der Linse lassen sich daher aus den Maxima der jeweiligen Spektren also aus der Intensitätsverteilung in Zeilenrichtung ermitteln.each Line of the CCD camera thus records a complete spectrum for one associated gap section. The distances of the individual surface areas from each other or from the lens can therefore be from the maxima the respective spectra thus from the intensity distribution in the row direction determine.

Die DE 197 13 362 A1 beschreibt eine konfokale mikroskopische Anordnung, die zur Waferuntersuchung eingesetzt wird. Bei dieser Anordnung wird ein Lochraster, das von einer Weißlichtquelle oder dergleichen beleuchtet wird, über eine Optik mit gezieltem Farblängsfehler auf eine zu beobachtende Oberfläche abgebildet. Das an der Oberfläche reflektierte Bild des Lochrasters wird wiederum auf das Lochraster abgebildet und ortsgefiltert. Das Lochraster liefert somit ein Bild des Objektes, in dem die Höheninformation durch eine entsprechende Farbdarstellung optisch kodiert vorliegt. Aus diesem Bild wird dann ein Spektrum erzeugt, das von einer Diodenzeile aufgezeichnet wird, sodass aus der Lage und Höhe der Maxima die Flächenanteile der jeweiligen Höhenniveaus auf einem Wafer erfasst werden können.The DE 197 13 362 A1 describes a confocal microscopic array used for wafer inspection. In this arrangement, a hole pattern illuminated by a white light source or the like is imaged onto a surface to be observed through a targeted longitudinal chromatic aberration. The image of the hole pattern reflected on the surface is again imaged onto the hole pattern and spatially filtered. The hole pattern thus provides an image of the object in which the height information is optically encoded by a corresponding color representation. From this image, a spectrum is then generated, which is recorded by a diode array, so that from the position and height of the maxima, the surface portions of the respective height levels can be detected on a wafer.

Aus der FR 2 707 018 A1 ist es bei der Aufnahme dreidimensionaler Bilder bekannt, nur zwei Wellenlängenbereiche auszuwerten, wobei die entsprechenden beiden Meßwerte zueinander in Beziehung gesetzt werden.From the FR 2 707 018 A1 For example, when taking three-dimensional images, it is known to evaluate only two wavelength ranges, with the corresponding two measured values being related to each other.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein optisches Abstandsmeßverfahren bereitzustellen, daß unabhängig von der Arbeitsrichtung eines Bearbeitungskopfes einer Werkstückbearbeitungsanlage den Abstand einer Oberfläche relativ zu einer Soll-Lage ermittelt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Abstandssensor zur Durchführung eines derartigen Abstandsmeßverfahrens bereitzustellen.From that Based on the object of the invention, an optical To provide distance measuring methods that regardless of the working direction of a machining head of a workpiece machining system the distance of a surface determined relative to a desired position. Another object of the invention it is an optical distance sensor for performing a such distance measuring method provide.

Diese Aufgaben werden durch das Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1 und den Abstandsensor nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung sind in jeweiligen nachgeordneten Ansprüchen beschrieben.These Problems are solved by the distance measuring method according to claim 1 and solved the distance sensor according to claim 6. Advantageous embodiments and development of the invention are in respective subordinate claims described.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß ein als Meßobjekt dienendes Leuchtobjekt auf eine Oberfläche, insbesondere auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks abgebildet wird, daß das Bild des Meßobjekts, daß von der Oberfläche zurückgeworfen wird, auf eine Empfangsanordnung ab gebildet wird, in der das einfallende Bild einer dem Leucht- oder Meßobjekt entsprechenden Ortsfilterung unterzogen wird und in der der ortsgefilterte Lichtstrom für zwei Wellenlängenbereiche erfaßt wird, um entsprechende Lichtstrom-Meßsignale zu liefern. Die zwei Lichtstrom-Meßsignale für jeden der Wellenlängenbereiche werden dann mit den entsprechenden Wellenlängenbereichen zugeordneten Soll-Werten verglichen, die einer vorgebbaren Soll-Lage der Oberfläche entsprechen, um ein dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.According to the invention is thus provided that a as a test object Serving luminous object on a surface, in particular on the surface of a to be machined workpiece it is pictured that the Picture of the test object, that of the surface thrown back is formed on a receiving arrangement in which the incident Picture of a luminous or measuring object is subjected to appropriate spatial filtering and in the the location-filtered Luminous flux for two wavelength ranges detected is to provide corresponding luminous flux measuring signals. The two Luminous flux measurement signals for each the wavelength ranges are then assigned to the corresponding wavelength ranges Setpoint values which correspond to a predefinable desired position of the surface, around the distance of the surface to generate from the target position corresponding output signal.

Um das dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechende Ausgangssignal zu bilden, wird also zunächst durch Erfassung des ortsgefilterten Lichtstroms der von einer Defokussierung abhängige Kontrast des Leuchtobjektbildes in der Ebene der Ortsfilterung ermittelt, um ein dieser Defokussierung entsprechendes Meßsignal zu bilden. Da der Kontrast eines Bildes unabhängig davon abnimmt, in welcher Richtung das Bild gegenüber der Beobachtungsebene verschoben wird, ist ein derartiges Lichtstrom-Meßsignal zunächst nur geeignet, eine Verschiebung einer Oberfläche gegenüber ihrer Soll-Lage festzustellen, ohne die Richtung der Verschiebung angeben zu können. Um hier Abhilfe zu schaffen, nutzt die Erfindung den Farbfehler einer optischen Abbildung, also die Tatsache, daß eine optische Linse für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Brennweiten besitzt. Da aufgrund des Farbfehlers die Bilder eines Objektes für verschiedene Wellenlängenbereiche in unterschiedlichen Ebenen liegen, ist auch der Kontrast der verschiedenen Bilder in einer Beobachtungsebene, also in der Ebene der Ortsfilterung verschieden, so daß es durch einen Vergleich der mit dem Kontrast korrelierten Lichtstrom-Meßsignale für verschiedene Wellenlängenbereiche mit entsprechenden Soll-Werten möglich wird, nicht nur eine Verschiebung einer Oberfläche aus ihrer Soll-Lage heraus zu erfassen, sondern auch die Richtung der Verschiebung anzugeben.Around that the distance of the surface From the target position corresponding output signal to form, so first by detecting the location-filtered luminous flux that of a defocusing dependent contrast of the luminous object image in the plane of spatial filtering, to form a measurement signal corresponding to this defocusing. Because the contrast an image independently it decreases in which direction the picture is opposite to the Observation level is shifted, is such a luminous flux measurement signal first only suitable for determining a displacement of a surface relative to its desired position, without being able to specify the direction of the shift. To remedy this, the invention uses the color error of an optical image, ie the fact that one optical lens for different wavelengths different Has focal lengths. Because of the color error the pictures of a Object for different wavelength ranges lie in different levels, is also the contrast of the different Images in an observation plane, ie in the level of spatial filtering different, so that it by comparing the luminous flux measuring signals correlated with the contrast for different Wavelength ranges possible with corresponding nominal values is not just a shift of a surface from its desired position out to but also to specify the direction of the shift.

Da es für die Regelung des Abstands zwischen Bearbeitungskopf und Werkstückoberfläche im Prinzip nur erforderlich ist, zu wissen, ob der Abstand zu klein oder zu groß ist, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Ausgangssignal zumindest die Richtung des Abstands der Oberfläche von der Soll-Lage angibt.There it for the regulation of the distance between machining head and workpiece surface in principle only it is necessary to know if the distance is too small or too large provided in a preferred embodiment of the invention that the output signal indicates at least the direction of the distance of the surface from the target position.

Um eine möglichst zuverlässige Aussage über die Richtung des Abstands der Oberfläche von der Soll-Lage zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wellenlängenbereiche im Hinblick auf einen Farbfehler bei der Abbildung des Leuchtobjekts so gewählt sind, daß der Abstand der Brennpunkte zweier aufeinander folgender Wellenlängenbereiche entlang der optischen Achse der Abbildung kleiner oder gleich der halben Breite der Verlaufskurve des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokussierung entlang der optischen Achse bei etwa 10 % des Maximalwertes ist.Around one possible reliable Statement about to get the direction of the distance of the surface from the target position, is provided according to the invention, that the Wavelength ranges with regard to a color error in the image of the luminous object so chosen are that the Distance of the focal points of two successive wavelength ranges along the optical axis of the figure less than or equal to half Width of the curve of the location-filtered luminous flux over one Defocusing along the optical axis at about 10% of the maximum value is.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Bild des Leuchtobjektes auf der Oberfläche des Werkstücks oder dergleichen auf einen Bildsensor der Empfangsanordnung mit einer Vielzahl von Empfängerelementen abgebildet wird, und daß die Ortsfilterung durch Auswahl von Empfängerelementen entsprechend dem Leuchtobjekt durchgeführt wird. Die Durchführung der Ortsfilterung und die Erfassung des ortsgefilterten Lichtstroms mit einer eine Vielzahl von Empfängerelementen aufweisenden Empfangsanordnung hat den Vorteil, daß ein beliebiges Leuchtobjekt eingesetzt werden kann und daß die Justierung des Abstandsmeßverfahrens durch eine gezielte Auswahl der Empfängerelemente erfolgen kann, die einen hohen Lichtstrom empfangen, während das Leuchtobjekt scharf in die Beobachtungsebene abgebildet ist.at an advantageous embodiment of the invention is provided that this Image of the luminous object on the surface of the workpiece or The like to an image sensor of the receiving device having a plurality of receiver elements is pictured, and that the Spatial filtering by selecting receiver elements accordingly performed the luminous object becomes. The implementation the spatial filtering and the detection of the location-filtered luminous flux with a plurality of receiver elements having receiving arrangement has the advantage that any Illuminated object can be used and that the adjustment of the distance measuring can be done by a targeted selection of the receiver elements, which receive a high luminous flux while the luminous object is in focus is shown in the observation plane.

Eine praktische Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Ortsfilterung mit einer Ortsfilterblende durchgeführt wird, die dem Leuchtobjekt entspricht. Der Einsatz einer dem Leuchtobjekt entsprechenden Ortsfilterblende ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren auch in einer unwirtlichen Umgebung durchzuführen, da einfache und robuste Sensorelemente zum Einsatz kommen können.A practical development of the invention is characterized in that the spatial filtering is performed with a spatial filter aperture that corresponds to the luminous object. The use of a luminous object ent speaking spatial filter aperture makes it possible to perform the inventive method even in an inhospitable environment, since simple and robust sensor elements can be used.

Ein optischer Abstandssensor, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren auf besonders vorteilhafte Weise durchgeführt werden kann, umfaßt ein Leuchtobjekt, das zumindest einen Lichtdurchlaßbereich aufweist, der wenigstens auf zwei Seiten von lichtabschirmenden Bereichen begrenzt ist; eine einen Farbfehler aufweisende Abbildungsoptik zur Abbildung des Leuchtobjekts auf eine Oberfläche, insbesondere auf eine Werkstückoberfläche, deren Ist-Lage relativ zu einer Soll-Lage erfaßt werden soll; eine Empfangsanordnung, auf die das Bild des Leuchtobjekts auf der Oberfläche von der Abbildungsoptik abgebildet wird, wobei die Empfangsanordnung zur Ortsfilterung des einfallenden Bildes entsprechend dem Leuchtobjekt zum Erfassen des ortsgefilterten Lichtstroms für zwei Wellenlängenbereiche, und zum Erzeugen entsprechender Lichtstrom-Meßsignale dient; und eine Auswerteschaltung zum Vergleichen der beiden Lichtstrom-Meßsignale mit zwei den entsprechenden Wellenlängenbereichen zugeordneten Soll-Werten, die einer vorgebbaren Soll-Lage der Oberfläche entsprechen und zum Erzeugen eines dem Abstand der Oberfläche von der Soll-Lage entsprechenden Ausgangssignals.One optical distance sensor, with which the inventive method can be carried out in a particularly advantageous manner, comprises a luminous object, having at least one light transmission area, the at least is bounded on two sides by light-shielding areas; a a color aberration imaging optics for imaging the luminous object on a surface, in particular on a workpiece surface whose Actual position to be detected relative to a desired position; a receiving arrangement, on the image of the luminous object on the surface of the imaging optics is shown, wherein the receiving device for spatial filtering of the incident image corresponding to the luminous object for detecting the location-filtered Luminous flux for two wavelength ranges, and for generating corresponding luminous flux measuring signals is used; and an evaluation circuit for comparing the two luminous flux measuring signals with two the corresponding Wavelength ranges assigned target values that correspond to a predetermined target position of the surface and for producing a distance corresponding to the distance of the surface from the desired position Output signal.

Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Empfangsanordnung ein Bildsensor mit einer Vielzahl von Empfängerelementen ist. Obwohl grundsätzlich als Bildsensor jede Anordnung von Empfängerelementen dienen kann, mit der eine ortsauflösende Auswertung des einfallenden Lichtstroms möglich ist, ist es besonders zweckmäßig einen CCD-Bildwandler mit einer ein- oder zweidimensionalen Photodiodenanordnung vorzusehen.According to one first embodiment of the invention, it is provided that the receiving arrangement an image sensor having a plurality of receiver elements. Although basically as Image sensor can serve any arrangement of receiver elements, with a spatially resolving Evaluation of the incident luminous flux is possible, it is special appropriate one CCD image converter with a one- or two-dimensional photodiode array provided.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Empfangsanordnung eine dem Leuchtobjekt entsprechende Ortsfilterblende, auf die das auf der Oberfläche erzeugte Bild des Leuchtobjekts abgebildet wird, und eine Photodetektoranordnung zum Erfassen des ortsgefilterten Lichtstroms umfaßt, wobei die Photodetektoranordnung zumindest einen ersten und einen zweiten Photoempfänger und eine Vorrichtung zur Lichtzerlegung umfaßt, die den Lichtstrom des ersten Wellenlängenbereichs auf den ersten Photoempfänger und den Lichtstrom des zweiten Wellenlängenbereichs auf den zweiten Photoempfänger lenkt.According to one Another embodiment of the invention provides that the receiving arrangement a spatial filter aperture corresponding to the luminous object to which the on the surface generated image of the luminous object is imaged, and a photodetector array for detecting the location filtered luminous flux, wherein the photodetector arrangement at least a first and a second photoreceptor and a device for light separation comprising the luminous flux of the first wavelength range on the first photoreceiver and the luminous flux of the second wavelength range to the second photoreceptor directs.

Als Vorrichtung zur Lichtzerlegung kann dabei entweder ein Beugungsgitter oder Dispersionsprisma vorgesehen sein.When Device for light decomposition can either be a diffraction grating or dispersion prism.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, daß die Photodetektoranordnung einen Photoempfänger und eine Zerhackerblende umfaßt, die zumindest zwei Farbfilter aufweist, um die Lichtströme der verschiedenen Wellenlängenbereiche nacheinander zum Photoempfänger durchzulassen.According to one However, another embodiment of the invention, it is also possible that the photodetector array a photoreceiver and comprises a chopper shutter, which has at least two color filters to control the luminous fluxes of the different ones Wavelength ranges successively pass to the photoreceptor.

Um eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen, ist es zweckmäßig, daß eine Linse vorgesehen ist, um den ortsgefilterten Lichtstrom auf die Photoempfängeranordnung zu fokussieren.Around To achieve high sensitivity, it is appropriate that a lens is provided to the location filtered luminous flux on the photoreceptor assembly to focus.

Als Leuchtobjekt für einen erfindungsgemäßen Abstandssensor kann grundsätzlich jedes Objekt eingesetzt werden, das einen hohen Kontrast, insbesondere einen Kontrast 1 aufweist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn als Leuchtobjekt ein beleuchtetes Meßobjekt, das eine Spaltblende, eine Ringspaltblende, ein eindimensionales gerades Gitter oder ein aus Ringspalten aufgebautes Ringgitter sein kann, vorgesehen ist. Als Alternative dazu kann als Leuchtobjekt auch ein beleuchtetes, zweidimensionales Gitter eingesetzt werden.When Illuminated object for a distance sensor according to the invention can basically Any object used that has a high contrast, in particular has a contrast 1. It is particularly useful when as a luminous object an illuminated object to be measured, a slit diaphragm, an annular slit diaphragm, a one-dimensional diaphragm straight grid or a built up of annular gaps ring grid can, is provided. As an alternative, as a lighting object Also, an illuminated, two-dimensional grid can be used.

Wird ein erfindungsgemäßer Abstandssensor mit einem Laserbearbeitungskopf verwendet, der eine Abbildungsoptik aufweist, die einen Arbeitslaserstrahl in einen Arbeitsbrennpunkt auf einer Werkstückoberfläche fokussiert, so ist es besonders vorteilhaft, wenn der Strahlengang der Abbildung des Leuchtobjekts mittels einer Teilerfläche in den Arbeitsstrahlengang eingekop pelt wird, so daß der Arbeitsbrennpunkt im wesentlichen mit dem Bild des Leuchtobjekts zusammenfällt.Becomes an inventive distance sensor used with a laser processing head, which has an imaging optics having a working laser beam in a working focal point focused on a workpiece surface, So it is particularly advantageous if the beam path of the figure of the luminous object by means of a splitter surface in the working beam path is eingelt, so that the Working focal point substantially with the image of the luminous object coincides.

Auf diese Weise lässt sich das Bild des Leuchtobjekts besonders einfach in den Bereich der Wechselwirkungszone abbilden, um eine von der Vorschubrichtung des Laserbearbeitungskopfes unabhängige Abstandsregelung realisieren zu können.On that way The image of the luminous object is particularly easy in the area map the interaction zone to one of the feed direction realize the laser processing head independent distance control to be able to.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes ist vorgesehen, daß die Abbildungsoptik für den Arbeitslaserstrahl zusammen mit einer Kollimatoroptik, in deren Brennpunkt das Leuchtobjekt angeordnet ist, die Abbildungsoptik für das Leuchtobjekt bildet.at an expedient embodiment the laser processing head according to the invention is provided that the Imaging optics for the working laser beam together with a collimator, in whose Focus the luminous object is arranged, the imaging optics for the Illuminated object forms.

Da die Abbildungsoptik, die den Arbeitslaserstrahl in die Wechselwirkungszone fokussiert, üblicherweise nur für eine Wellenlänge bzw. einen relativ schmalen Wellenlängenbereich ausgelegt ist, weist sie meistens einen relativ großen Farbfehler auf, so daß die zwei geeigneten Wellenlängenbereiche für die Abstandsmessung ausgewählt werden können, deren Brennpunkte in zweckmäßigen Abständen zueinander liegen.There the imaging optics, the working laser beam in the interaction zone focused, usually only for a wavelength or a relatively narrow wavelength range is designed, it usually has a relatively large color error, so that the two suitable wavelength ranges for the Distance measurement selected can be their foci at appropriate distances from each other lie.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below, for example, with reference to the drawing explained in more detail. It demonstrate:

1a eine schematische Schnittdarstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einem erfindungsgemäßen Abstandssensor, 1a a schematic sectional view of a laser processing head with a distance sensor according to the invention,

1b eine schematische vereinfachte Schnittdarstellung eines anderen Laserbearbeitungskopfes mit einem erfindungsgemäßen Abstandssensor, 1b a simplified schematic sectional view of another laser processing head with a distance sensor according to the invention,

2a eine schematische Darstellung der verschiedenen Strahlengänge des erfindungsgemäßen Abstandssensors zur Erläuterung des Meßprinzips, 2a a schematic representation of the different beam paths of the distance sensor according to the invention for explaining the measuring principle,

2b eine vereinfachte schematische Darstellung einer Empfangsanordnung mit einer Vorrichtung zur Lichtzerlegung für einen erfindungsgemäßen Abstandssensor, 2 B a simplified schematic representation of a receiving arrangement with a device for light separation for a distance sensor according to the invention,

3 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Ortsfilterung, die den örtlichen Verlauf der Beleuchtungsstärke in der Beobachtungsebene vor und hinter dem Ortsfilter in Abhängigkeit von der Lage der Oberfläche relativ zu ihrer Soll-Lage darstellen, 3 various diagrams for explaining the spatial filtering, which represent the local profile of the illuminance in the observation plane in front of and behind the spatial filter as a function of the position of the surface relative to its desired position,

4 den Verlauf des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokussierung entlang der optischen Achse für eine Wellenlänge, 4 the course of the location-filtered luminous flux over a defocus along the optical axis for one wavelength,

5 den Verlauf des ortsgefilterten Lichtstroms über einer Defokussierung für zwei Wellenlängen, 5 the course of the location-filtered luminous flux over a defocusing for two wavelengths,

6 ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteschaltung für einen erfindungsgemäßen Abstandssensor und 6 a schematic block diagram of an evaluation circuit for a distance sensor according to the invention and

7 ein Spannungs-Weg-Diagramm zur Erläuterung der Erzeugung eines Stellsignals. 7 a voltage-path diagram for explaining the generation of a control signal.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In The various figures of the drawings are corresponding to each other Elements provided with the same reference numerals.

Wie 1a zeigt, weist ein Laserbearbeitungskopf 10 ein Gehäuse 11, in dem eine Abbildungsoptik 12 für einen Arbeitslaserstrahl 13 angeordnet ist, und eine Laserbearbeitungsdüse 14 mit einer Düsenöffnung 15 auf, durch die hindurch der Laserstrahl 13 in einen eine Wechselwirkungszone auf einer Oberfläche 16 eines zu bearbeitenden Werkstücks 17 festlegenden Arbeitsbrennpunkt 18 fokussiert wird.As 1a shows, has a laser processing head 10 a housing 11 in which an imaging optics 12 for a working laser beam 13 is arranged, and a laser processing nozzle 14 with a nozzle opening 15 through, through which the laser beam 13 into an interaction zone on a surface 16 a workpiece to be machined 17 defining working focal point 18 is focused.

An dem Gehäuse 11 des Laserbearbeitungskopfes 10 ist ein optischer Abstandssensor 19 angebracht, der eine Lichtquelle 20 aufweist, die von einem Kondensor 21 und einem Kollimator 22 über eine als Umlenkspiegel dienende Teilerfläche 23 in die Abbildungsoptik 12 des Arbeitsstrahlengangs 13' abgebildet wird. Um ein Leuchtobjekt zu bilden, ist von der Lichtquelle aus gesehen hinter dem Kondensor 21 und vorzugsweise im Brennpunkt des Kollimators 22 ein Leuchtobjekt 25 angeordnet, das vom Kollimator 22 und von der Abbildungsoptik 12 des Arbeitsstrahlengangs 13' in den Bereich des Arbeitsbrennpunkts 18 auf die Oberfläche 16 abgebildet wird. Auf diese Weise wird ein Meßstrahlengang 24 gebildet, der in den Arbeitsstrahlengang 13' eingekoppelt ist.On the case 11 of the laser processing head 10 is an optical distance sensor 19 attached, which is a light source 20 which has a condenser 21 and a collimator 22 via a splitter surface serving as a deflecting mirror 23 in the imaging optics 12 of the working beam path 13 ' is shown. To form a luminous object is seen from the light source behind the condenser 21 and preferably at the focal point of the collimator 22 a luminous object 25 arranged by the collimator 22 and from the imaging optics 12 of the working beam path 13 ' in the area of the working focal point 18 on the surface 16 is shown. In this way, a Meßstrahlengang 24 formed in the working beam path 13 ' is coupled.

Ein auf diese Weise erzeugtes Bild 26 des Leuchtobjekts 25 wird im reflektiertem Meßstrahlengang 24' von der Abbildungsoptik 12, die für das Bild 26 einen Kollimator darstellt, und den Kollimator 22 über eine Strahlteilerfläche 27 auf ein Ortsfiltergitter 28 abgebildet. In Lichtrichtung des reflektierten Meßstrahlengangs 24' hinter dem Ortsfiltergitter 28 ist eine Feldlinse 29 angeordnet, die den durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch tretenden ortsgefilterten Lichtstrom auf eine Photoempfängeranordnung 30 fokussiert.An image created in this way 26 of the luminous object 25 is reflected in the measuring beam path 24 ' from the imaging optics 12 that for the picture 26 represents a collimator, and the collimator 22 over a beam splitter surface 27 on a spatial filter grid 28 displayed. In the direction of light of the reflected Meßstrahlengangs 24 ' behind the place filter grid 28 is a field lens 29 arranged, passing through the spatial filter grid 28 passing through locally filtered luminous flux to a photoreceiver arrangement 30 focused.

Als Ortsfiltergitter 28 ist ein Gitter gewählt, daß einem als Leuchtobjekt dienenden Meßgitter deckungsgleich entspricht, so daß das Bild des Bildes 26 auf dem Ortsfiltergitter 28 mit diesem genau zur Deckung gebracht wer den kann, wenn das Meßgitter 25 und das Ortsfiltergitter 28 den gleichen optischen Abstand zum Kollimator 22 aufweisen und wenn die Oberfläche 16 des Werkstücks 17, an der der Meßstrahlengang 24 reflektiert wird, genau im Brennpunkt der Abbildungsoptik 12 liegt.As a local filter grid 28 is selected a grid that corresponds to a measuring object used as a luminous object congruent, so that the image of the image 26 on the place filter grid 28 with this exactly to the De brought who can if the measuring grid 25 and the place filter grid 28 the same optical distance to the collimator 22 exhibit and if the surface 16 of the workpiece 17 , at which the Meßstrahlengang 24 is reflected, exactly in the focal point of the imaging optics 12 lies.

Gemäß 1b ist bei einem Laserbearbeitungskopf 10' der Abstandssensor 19 so an einer Laserbearbeitungsdüse 14 bzw. an deren Gehäuse angebracht, daß der Meßstrahlengang 24 hinter der Abbildungsoptik 12, also zwischen Abbildungsoptik 12 und Arbeitsbrennpunkt 18, mit Hilfe einer Strahlteilerfläche 23 in den Arbeitsstrahlengang 13 eingekoppelt wird. In diesem Fall wird die Lichtquelle 20 vom Kondensor 21 in eine Abbildungsoptik 22' des Meßstrahlengangs 24 abgebildet, die das Meßgitter 25 über die als Umlenkspiegel dienende Strahlteilerfläche 23 auf die Oberfläche 16 des Werkstücks 17 abbildet. Das Bild 26 des Meßgitters 11 wird im reflektierten Meßstrahlengang 24' von der Abbildungsoptik 22' auf das Ortsfiltergitter 28 abgebildet.According to 1b is at a laser processing head 10 ' the distance sensor 19 so on a laser processing nozzle 14 or attached to the housing, that the Meßstrahlengang 24 behind the imaging optics 12 , ie between imaging optics 12 and working focal point 18 , with the help of a beam splitter surface 23 in the working beam path 13 is coupled. In this case, the light source becomes 20 from the condenser 21 in an imaging optics 22 ' the Meßstrahlengangs 24 pictured, the measuring grid 25 via the beam splitter surface serving as deflecting mirror 23 on the surface 16 of the workpiece 17 maps. The picture 26 of the measuring grid 11 is reflected in the measuring beam path 24 ' from the imaging optics 22 ' on the location filter grid 28 displayed.

Zur Erläuterung des von der Erfindung genutzten Meßprinzips, das bei den Ausgestaltungen der Erfindung nach 1a und 1b dasselbe ist, sind die wesentlichen Elemente des Meßstrahlengangs nochmals in 2a schematisch dargestellt. Insbesondere ist die Strahlführung des Beleuchtungstrahlengangs gestrichelt dargestellt, während der Abbildungs-Meßstrahlengang 24 mit durchgezogenen Linien gezeigt ist.To explain the measuring principle used by the invention, in the embodiments of the invention according to 1a and 1b the same thing, the essential elements of the Meßstrahlengangs are again in 2a shown schematically. In particular, the beam guidance of the illumination beam path is shown in dashed lines, while the imaging measuring beam path 24 shown by solid lines.

Liegt, wie in 2a gezeigt, die den Meßstrahlengang reflektierende Oberfläche 16 genau im Brennpunkt der Abbildungsoptik 22' (oder im Brennpunkt der Abbildungsoptik 12 des Arbeitsstrahlengangs 13') so wird das auf der Oberfläche 16 erzeugte Bild 26 genau auf das Ortsfiltergitter 28 der Empfangsanordnung 31 abgebildet. Die Verteilung der Beleuchtungsstärke E1 in x-Richtung einer durch das Ortsfiltergitter 28 festgelegten Beobachtungsebene ist in 3 im ersten Diagramm links vom schematisch angedeuteten Ortsfiltergitter 20 dargestellt.Lies, as in 2a shown, the measuring beam path reflecting surface 16 exactly in the focal point of the imaging optics 22 ' (or at the focal point of the imaging optics 12 of the working beam path 13 ' ) it will be on the surface 16 generated picture 26 exactly on the Ortsfiltergitter 28 the receiving arrangement 31 displayed. The distribution of illuminance E1 in the x-direction through the spatial filter grid 28 fixed observation level is in 3 in the first diagram to the left of the schematically indicated spatial filter grid 20 shown.

Verändert sich die Lage der Oberfläche 16 in Richtung z der optischen Ach se Z mehr und mehr, so verschmiert das Bild des Bildes 26 in der Beobachtungsebene mehr und mehr und der Kontrast nimmt entsprechend ab. Die Verteilungen der Beleuchtungsstärke E2, E3, E4 für zunehmende Abstände der Oberfläche 16 von ihrer Soll-Lage sind im zweiten, dritten bzw. vierten Diagramm auf der linken Seite in 3 dargestellt. Man erkennt deutlich, daß die Beleuchtungsstärke in den Bereichen, die den Schlitzen des Ortsfiltergitters 28 zugeordnet sind, mehr und mehr abnimmt, während sie umgekehrt in den Bereichen, die den Stegen des Gitters zugewiesen sind, mehr und mehr zunimmt, daß also der Kontrast mehr und mehr abnimmt. Bei weiterer Verschiebung der Oberfläche 16 aus Ihrer Soll-Lage heraus wird dann der Kontrast vollständig verschwinden, d.h. die Beleuchtungsstärke ist für alle Bereiche die gleiche. Danach ergibt sich eine Kontrastumkehr, d.h. daß die Beleuchtungsstärke E in den den Stegen zugeordneten Bereichen größer ist als in den Bereichen, die den Schlitzen zugeordnet sind.The position of the surface changes 16 in the direction z of the optical axis Z more and more, the picture of the picture smears 26 in the observation plane more and more and the contrast decreases accordingly. The distributions of illuminance E2, E3, E4 for increasing distances of the surface 16 from their nominal position are in the second, third and fourth diagram on the left in 3 shown. It can be clearly seen that the illuminance in the areas that are the slots of the spatial filter grid 28 and, conversely, they increase more and more in the areas assigned to the bars of the grid, so that the contrast decreases more and more. Upon further displacement of the surface 16 The contrast will disappear completely from your desired position, ie the illuminance will be the same for all areas. Thereafter, there is a contrast reversal, ie that the illuminance E is greater in the areas associated with the webs than in the areas associated with the slots.

Durch die Ortsfilterung mit dem Meßgitter 25 entsprechenden Ortsfiltergitter 28 wird dann das auf die Gitterstege 28 auftreffende Licht ausgeblendet, so daß sich hinter dem Ortsfiltergitter 28 eine Beleuchtungsstärkeverteilung E' ergibt. Die vier Diagramme E1', E2', E3', E4' auf der linken Seite in 3 sind in dieser Reihenfolge den entsprechenden Diagrammen auf der rechten Seite zugeordnet.By the spatial filtering with the measuring grid 25 corresponding spatial filter grid 28 then it will be on the grid bars 28 incident light faded out, so that behind the Ortsfiltergitter 28 gives an illuminance distribution E '. The four diagrams E1 ', E2', E3 ', E4' on the left in 3 are assigned in this order to the corresponding charts on the right.

Wird der durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch tretende Lichtstrom Φ gemessen, so ergibt sich der in 4 gezeigte Verlauf des ortsgefilterten Lichtstroms Φ in Abhängigkeit von der Lage der Oberfläche relativ zur Brennpunktlage auf der optischen Achse, also der Verlauf des durch das Ortsfiltergitter 28 hindurch gelassenen Lichtstroms über einer Defokussierung.Will the through the spatial filter grid 28 passing luminous flux Φ measured, the results in 4 shown course of the spatially filtered luminous flux Φ depending on the position of the surface relative to the focal position on the optical axis, ie the course of the through the spatial filter grating 28 passed luminous flux over a defocusing.

Soll nun der ortsgefilterte Lichtstrom Φ für eine Abstandsmessung oder für eine Regelung der Lage einer Oberfläche 16 relativ zum Brennpunkt der Abbildungsoptik 22' gemessen werden, so liefert ein Meßwert Φ_m zwei Positionen z_m1, z_m2, wenn der gemessene Lichtstrom Φ_m mit einer vorher aufgenommenen Eichkurve Φ verglichen wird.Let now the location-filtered luminous flux Φ for a distance measurement or for a regulation of the position of a surface 16 relative to the focal point of the imaging optics 22 ' are measured, a measured value Φ _m provides two positions z _m1 , z _m2 , when the measured luminous flux Φ _{m is} compared with a previously recorded calibration curve Φ.

Erfindungsgemäß wird nun die Tatsache ausgenutzt, daß eine optische Abbildung einen Farbfehler besitzt, wenn eine brechende Optik verwendet wird, daß also Linsen für verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Brennweiten besitzen. Erfindungsgemäß werden daher zwei Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ ausgewählt, für die bei der verwendeten Abbildungsoptik die Brennpunkte so weit auseinander liegen, daß sich die Lichtstromkurven Φ so überlappen, daß in einem bestimmten Bereich um die Brennpunkte für die verschiedenen Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ herum für jede Lage der Oberfläche 16 zwei Lichtstromwerte Φ ermittelt werden können, die eine eindeutige Aussage über die Richtung des Abstandes der Oberfläche 16 von ihrer Soll-Lage ermöglichen.According to the invention, the fact is exploited that an optical image has a chromatic aberration when a refractive optic is used, that is lenses for different wavelengths have different focal lengths. According to the invention, therefore, two wavelength ranges λ ₁ , λ _{2 are} selected for which the focal points in the imaging optics used are so far apart that the luminous flux curves Φ overlap such that in a certain range around the focal points for the different wavelength ranges λ ₁ , λ ₂ around for every layer of the surface 16 two luminous flux values Φ can be determined, which gives a clear statement about the direction of the distance of the surface 16 from their desired location.

Um den Lichtstrom für zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ erfassen zu können, ist es möglich, eine lichtzerlegende Vorrichtung 32, wie ein Beugungsgitter oder ein Dispersionsprisma anzuordnen, die dann das Licht der gewünschten Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ auf einen ersten und eine zweiten Photoempfänger 33, 34 lenkt. Es ist aber auch möglich, wie in 2a angedeutet, einen mit Farbfiltern ausgerüsteten Chopper oder Zerhackerblende vorzusehen, so daß das Licht der beiden unterschiedlichen Wellenlängebereiche λ₁, λ₂ nacheinander auf die Photoempfängeranordnung 30 auftrifft.In order to be able to detect the luminous flux for two different wavelength ranges λ ₁ , λ ₂ , it is possible to use a light-decomposing device 32 How to arrange a diffraction grating or a dispersion prism, which then the light of the desired wavelength ranges λ ₁ , λ ₂ to a first and a second photoreceiver 33 . 34 directs. But it is also possible, as in 2a indicated to provide a equipped with color filters chopper or chopper aperture, so that the light of the two different wavelength ranges λ ₁ , λ ₂ successively to the photoreceiver arrangement 30 incident.

Darüber hinaus kann auch ein CCD-Bildwandler mit einem eindimensionalen oder einem zweidimensionalen Photodiodenarray verwendet werden. Ein deratiger CCD-Bildwandler eröffnet dabei ferner die Möglichkeit, die Ortsfrequenzfilterung ohne Ortsfilterblende bzw. Ortsfiltergitter 28 durchzuführen, da nur die den Stegen des Meßgitters 25 bzw. den lichtundurchlässigen Bereichen eines anderen Meßobjekts zugeordneten Photodiodenbereiche des Bildwandlers bei der Ermittelung des ortsgefilterten Lichtstroms Φ unberücksichtigt gelassen zu werden brauchen.In addition, a CCD imager with a one-dimensional or a two-dimensional photodiode array can also be used. A deratiger CCD image converter also opens up the possibility of spatial frequency filtering without spatial filter aperture or spatial filter grid 28 perform, since only the webs of the measuring grid 25 or the photodiode regions of the image converter associated with the light-impermeable regions of another object to be measured need not be taken into account in the determination of the spatially filtered luminous flux Φ.

Wird das erfindungsgemäße Abstandsmeßverfahren bei einer Laserbear beitungsanlage eingesetzt, so ist es zweckmäßig, wenn vor dem Ortsfiltergitter 28 eine Blende angeordnet ist, die ein Bild der Wechselwirkungszone in der Beobachtungsebene abschattet, so daß Licht aus der Wechselwirkungszone die eigentliche Meßung nicht stört.If the Abstandsmeßverfahren invention used in a Laserbear processing plant, it is advantageous if in front of the spatial filter grid 28 a diaphragm is arranged, which shadows an image of the interaction zone in the observation plane, so that light from the interaction zone does not interfere with the actual measurement.

Um ein Stellsignal für eine Abstandsregelung insbesondere für die Regelung des Abstandes zwischen einem Laserbearbeitungskopf und einer Werkstückoberfläche zu erhalten, wird in einem ersten Meßschritt zunächst bei genau eingestelltem Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf 10 und Oberfläche der ortsgefilterte Lichtstrom Φ in einem ersten Wellenlängenbereich λ₁ und einem zweiten Wellenlängenbereich λ₂ gemessen und die gemessenen Werte werden als Werte Φ_1,soll, Φ_2,soll abgespeichert. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn das als Meßobjekt dienende Meßgitter 25 so auf die Oberfläche 16 abgebildet wird, daß die Bilder des Meßobjekts mit den ausgewählten Wellenlängen λ₁, λ₂ in Lichtrichtung vor und hinter der Oberfläche 16 liegen. Die Auswahl der Wellenlängenbereiche und die genaue Lage der zugeordneten Bilder hängt dabei von der erforderlichen Lage des Arbeitbrennpunktes 18 relativ zur Werkstückoberfläche 16 ab. Insbesondere ist zweckmäßig, wenn die verwendeten Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ so gewählt sind, daß die Soll-Werte für die ortsgefilterten Lichtströme Φ, die in der Soll-Lage gemessen werden, im Überlappungsbereich der beiden Lichtstromkurven liegen, wie in 5 dargestellt ist.In order to obtain a control signal for a distance control, in particular for the regulation of the distance between a laser processing head and a workpiece surface, in a first measuring step, initially at a precisely set distance between the laser processing head 10 and surface of the location-filtered luminous flux Φ in a first wavelength range λ ₁ and a second wavelength range λ ₂ measured and the measured values are as values Φ _{1, should} , Φ _{2, is to be} stored. It is expedient here if the measuring grating serving as the test object 25 so on the surface 16 It is shown that the images of the test object with the selected wavelengths λ ₁ , λ ₂ in the light direction in front of and behind the surface 16 lie. The selection of the wavelength ranges and the exact location of the associated images depends on the required position of the working focal point 18 relative to the workpiece surface 16 from. In particular, it is expedient if the wavelength ranges used λ ₁ , λ ₂ are selected so that the desired values for the spatially filtered luminous flux Φ, which are measured in the desired position, in the overlap region of the two luminous flux curves, as in 5 is shown.

Nachdem die Soll-Werte Φ_1,soll, Φ_2,soll gemessen und gespeichert wurden und nachdem ein Minimalwert Φ_1,2,min festgelegt wurde, der beispielsweise etwa 10% des Maximums der Lichtstromkurve beträgt, um bei der Auswertung Rauschen zu unterdrücken, kann die Regelung des Abstandes gestartet werden. Hierzu wird in schneller Folge jeweils der ortsgefilterte Lichtstrom Φ₁, Φ₂ für die beiden Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ gemessen und mit den Werten Φ_1,min, Φ_1,soll, Φ_2,min und Φ_2,soll verglichen, um dann ein Stellsignal Uout gemäß folgender Tabelle zu erzeugen.After the target values Φ _{1 is intended,} Φ _{2 should} have been measured and stored, and after a minimum value Φ was _1.2, determined _min, which is for example about 10% of the maximum of the luminous flux curve in order to suppress noise in the evaluation, the regulation of the distance can be started. For this purpose, in each case the spatially filtered luminous flux Φ ₁ , Φ ₂ for the two wavelength ranges λ ₁ , λ _{2 is} measured in rapid succession and compared with the values Φ _{1, min} , Φ _{1, soll} , Φ _{2, min} and Φ ₂ , um then generate a control signal Uout according to the following table.

Die Entscheidung zur Erzeugung der als Stellsignal dienenden Ausgangsspannung Uout wird dabei zweckmäßigerweise von einem Mikroprozessor durchgeführt. Hierzu liefern als Photoempfänger 33, 34 dienende Photodioden eine dem empfangenen Lichtstrom Φ entsprechende Spannung an Verstärker 35, 36, deren Ausgangsspannung an einen Analog-Digitalwandler 37 angelegt wird, um dem Mikroprozessor 38 digitalisierte Werte für den Lichtstrom Φ₁ und Φ₂ zuzuführen. Der Mikroprozessor 38 berechnet dann gemäß der obigen Entscheidungstabelle einen digitalen Wert für die Ausgangsspannung Uout, der an einen Digital-Analogwandler 39 angelegt wird, um eine analoge Ausgangsspannung Uout als Stellsignal für eine Abstandsregelung zu liefern.The decision to generate the output signal Uout serving as a control signal is expediently carried out by a microprocessor. For this purpose deliver as a photoreceiver 33 . 34 Serving photodiodes a received light flux Φ corresponding voltage to the amplifier 35 . 36 , whose output voltage to an analog-to-digital converter 37 is applied to the microprocessor 38 to supply digitized values for the luminous flux Φ ₁ and Φ ₂ . The microprocessor 38 then calculates a digital value for the output voltage Uout to a digital-to-analog converter in accordance with the above decision table 39 is applied to provide an analog output voltage Uout as a control signal for a distance control.

Im einfachsten Fall braucht die Ausgangsspannung Uout nur drei Werte anzunehmen, einen Wert Umin, der kleiner als Usoll ist, den Wert Usoll und einen Umax, der größer als Usoll ist. Befindet sich die Oberfläche relativ zu ihrer Soll-Lage z₀ in einem Bereich 1 in 5, so ist Φ₁ größer als der minimale Wert Φ_1,min und Φ₂ ist 0 oder kleiner als der minimale Wert Φ_2,min; damit ergibt sich entsprechend Zeile 1 der obigen Tabelle, daß für Uout ein Wert Umin ausgegeben wird, durch den angezeigt wird, daß der Bearbeitungskopf 10 so gegenüber der Oberfläche 10 zu verschieben ist, daß diese in +z-Richtung verschoben wird. Ist der Wert Φ₁ größer als der Soll-Wert Φ_1,soll und liegt ein Wert Φ₂ vor, der zwar kleiner als der Soll-Wert, jedoch größer als der Wert Φ_2,min ist, so kann als Ausgangsspannung Uout wieder Umin gewählt werden. Jedoch ist es in diesem Fall zweckmäßig, zum Wert Umin eine Spannung in Abhängigkeit vom Wert Φ₂ hinzu zu addieren, um anzuzeigen, daß der Abstand zur Soll-Lage kleiner ist, und um die Verschiebegeschwindigkeit verringern zu können.In the simplest case, the output voltage Uout need only assume three values, a value Umin which is less than Usoll, the value Usoll and a Umax which is greater than Usoll. Is the surface relative to its desired position z ₀ in a range 1 in 5 , Φ _{1 is} greater than the minimum value Φ _{1, min} and Φ ₂ is 0 or less than the minimum value Φ _{2, min} ; Thus, according to line 1 of the above table, a value Umin is output for Uout, which indicates that the machining head 10 so ge over the surface 10 to move is that this is shifted in the + z direction. If the value Φ ₁ is greater than the target value Φ _{1, is intended,} and is a value Φ ₂ from which the target value, namely less than but greater than the value Φ _{2, min,} as may as the output voltage Uout again Umin to get voted. However, in this case, it is appropriate to add a voltage as a function of the value φ ₂ to the value Umin in order to indicate that the distance to the target position is smaller, and to be able to reduce the shift speed.

Für den Fall, daß sowohl Φ₁ als auch Φ₂ ungefähr den entsprechenden Soll-Werten für die Soll-Lagen entsprechen, wird ein Ausgangswert Uout gleich dem Wert Usoll geliefert, so daß keine Nachregelung durchgeführt wird. Entsprechend der vierten Zeile, die dem Bereich III in Figur entspricht, wird als Stellsignal eine Spannung Uout geliefert, die zwischen dem Wert Usoll und einem Umax ist, um anzuzeigen, daß eine Relativverschiebung der Oberfläche in –z-Richtung erforderlich ist. Ist der Lichtstrom Φ₁ kleiner als der Soll-Wert Φ_1,soll aber größer als der minimale Wert Φ_1,min und ist gleichzeitig der Wert Φ₂ größer als der zugehörige Soll-Wert, so liegt die Oberfläche im Bereich III auf der z-Achse.In the event that both Φ ₁ and Φ ₂ correspond approximately to the corresponding target values for the desired positions, an output value Uout equal to the value Usoll is supplied, so that no readjustment is performed. Corresponding to the fourth line, which corresponds to the area III in FIG. 1, a voltage Uout is supplied as a control signal which is between the value Usoll and a Umax to indicate that a relative displacement of the surface in the -z direction is required. If the luminous flux Φ _{1 is} smaller than the desired value Φ _1, but is greater than the minimum value Φ _{1, min} and is the same value Φ ₂ greater than the associated target value, the surface is in the range III on the z -Axis.

Liefern die Messungen für Φ₁ einen Wert 0 oder kleiner als der minimale Wert Φ_1,min und ist Φ₂ größer als Φ_2,min dann wird hierdurch angezeigt, daß sich die Oberfläche 16 im Bereich IV auf der z-Achse befindet und in –z-Richtung verschoben werden muß.If the measurements for Φ ₁ provide a value 0 or less than the minimum value Φ _{1, min} and Φ _{2 is} greater than Φ _{2, min} then this indicates that the surface 16 in the area IV on the z-axis and must be moved in -z direction.

Sind sowohl Φ₁ als auch Φ₂ beide gleichzeitig kleiner als die ihnen zugeordneten minimalen Werte, so ist der Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der zu bearbeitenden Oberfläche so weit von seinem Soll-Wert entfernt, daß bei Verwendung von nur zwei Wellenlängenbereichen λ₁, λ₂ für die beschriebene Regelung die Erzeugung eines Regelsignals nicht mehr möglich ist. In diesem Falle wird ein Fehlersignal geliefert, aufgrund dessen die weitere Bearbeitung unterbrochen wird und der Laserbearbeitungskopf vom Werkstück entfernt wird, um eine Kollision zwischen Laserbearbeitungsdüse 14 und Werkstück 17 oder eine fehlerhafte Bearbeitung zu verhindern.If both Φ ₁ and Φ _{2 are} both smaller than the minimum values assigned to them at the same time, the distance between the laser processing head and the surface to be processed is so far away from its desired value that when using only two wavelength ranges λ ₁ , λ ₂ for the described control the generation of a control signal is no longer possible. In this case, an error signal is provided, due to which further processing is interrupted and the laser processing head is removed from the workpiece to avoid a collision between the laser processing nozzle 14 and workpiece 17 or to prevent incorrect processing.

Für sehr genaue Regelungen ist es ferner möglich, vor dem Regelbetrieb nicht nur den Soll-Wert für den Lichtstrom der jeweiligen verwendeten Wellenlängenbereiche λ₁, λ₂ zu erfassen, sondern die vollständige Lichtstromkurve auszumessen, wie sie in 4 gezeigt ist. In diesem Fall lassen sich für jeden gemessenen Lichtstromwert Φ₁ und Φ₂ jeweils zwei Orte auf der optischen Achse bestimmen, wobei zwei der vier so bestimmten Orte übereinstimmen und die Lage der überwachten Oberfläche 16 beschreiben.For very accurate control, it is also possible to detect not only the target value for the luminous flux of the respective wavelength ranges used λ ₁ , λ ₂ , but to measure the complete luminous flux curve, as in 4 is shown. In this case, two locations on the optical axis can be determined for each measured luminous flux value Φ ₁ and Φ ₂ , two of the four locations thus determined and the position of the monitored surface 16 describe.

Die vorliegende Erfindung liefert also ein optisches Abstandsmeßverfahren, das den Abstand zwischen einem Bearbeitungskopf einer Werkstückbearbeitungsanlage und einer zu bearbeitenden Oberfläche vollständig unabhängig von der Vorschubrichtung des Bearbeitungskopfes in einer Weise erfaßt, die es ermöglicht, ein Stellsignal zu liefern, um den Abstand in Richtung auf seinen Soll-Wert zu vergrößern oder zu verkleinern, ohne das in jedem Fall eine absolute Abstandsmessung erforderlich wäre.The The present invention thus provides an optical distance measuring method. this is the distance between a machining head of a workpiece machining system and a surface to be machined completely independent of the feed direction of the processing head in a manner that makes it possible to to deliver a control signal to the distance in the direction of his To increase the target value or to shrink, without that in any case an absolute distance measurement would be required.

Für besonders sensible und genaue Regelungen ist es jedoch auch möglich, die absolute Lage der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks relativ zum Bearbeitungskopf zu messen.For special However, it is also possible to have sensitive and precise regulations absolute position of the surface to be machined of the workpiece relative to measure the machining head.

Claims

Optical distance measuring method, in particular for regulating the distance of a machining head ( 10 . 10 ' ) of a workpiece processing system from the surface ( 16 ) of a workpiece to be machined ( 17 ), in which - a luminous object ( 25 ) on a surface ( 16 ), especially on the surface ( 16 ) of a workpiece to be machined ( 17 ), - the picture ( 26 ) of the luminous object ( 25 ) on the surface ( 16 ) to a receiving arrangement ( 31 ), in which - the incident image of the luminous object ( 25 ) is subjected to appropriate spatial filtering, and - the spatially filtered luminous flux (Φ) for two predetermined wavelength ranges (λ1, λ2) is detected in order to provide for each of the predetermined wavelength ranges (λ1, λ2) a corresponding luminous flux measurement signal (Φ1, Φ2), and - the two luminous flux measuring signals (Φ1, Φ2) are respectively compared with the corresponding wavelength ranges associated setpoint values (Φ1 _soll , Φ2 _soll ) are compared to a predetermined target position ( 20 ) of the surface ( 16 ) correspond to the distance of the surface from the desired position ( 20 ) to generate corresponding output signal (Uout).

Optical distance measuring method according to claim 1, characterized in that the output signal (Uout) at least the direction of the distance of the surface ( 16 ) from the desired position ( 20 ) indicates.

Optical distance measuring method according to claim 1 or 2, characterized in that the wavelength ranges (λ1, λ2) with regard to a color error in the imaging of the luminous object ( 25 ) are selected so that the distance of the focal points of two successive wavelength ranges (λ1, λ2) along the optical axis (Z) of the image less than or equal to half the width of the curve of the location-filtered luminous flux over a defocusing along the optical axis (Z) at is about 10% of the maximum value.

Optical distance measuring method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the image of the luminous object ( 25 ) on the surface ( 16 ) to an image sensor of the receiving arrangement ( 31 ) is mapped with a plurality of receiver elements, and that the spatial filtering by selecting receiver elements corresponding to the luminous object ( 25 ) is carried out.

Optical distance measuring method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the spatial filtering with a spatial filter diaphragm ( 28 ), which the luminous object ( 25 ) corresponds.

Optical distance sensor, in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, with a luminous object ( 25 ) having at least one light transmission area bounded on at least two sides by light-shielding areas, - an imaging optical system having color aberration ( 22 . 12 ; 22 ' ) for imaging the luminous object ( 25 ) on a surface ( 16 ), in particular on a workpiece surface whose actual position is to be detected relative to a desired position, - a receiving arrangement ( 31 ) to which the picture ( 26 ) of the luminous object ( 25 ) on the surface ( 16 ) of the imaging optics ( 22 . 12 ; 22 ' ), the receiving arrangement ( 31 ) for spatial filtering of the incident image corresponding to the luminous object ( 25 ), for detecting the location-filtered luminous flux for two wavelength ranges (λ1, λ2), and for generating corresponding luminous flux measuring signals (Φ1, Φ2), and - an evaluation circuit ( 38 ) For comparing the two light-current measuring signals (Φ1, Φ2) having two respective wavelength ranges λ1, λ2) associated setpoint values (Φ1 _should Φ2 _soll) corresponding to a predetermined desired position ( 20 ) of the surface ( 16 ), and for generating an output signal (U _out ) corresponding to the distance of the surface from the desired position.

Distance sensor according to Claim 6, characterized in that the receiving arrangement ( 31 ) is an image sensor having a plurality of receiver elements.

Distance sensor according to claim 7, characterized in that that the Image sensor, a CCD imager with a one-dimensional photodiode array is.

Distance sensor according to claim 7, characterized in that that the Image sensor, a CCD imager with a two-dimensional photodiode array is.

Distance sensor according to Claim 6, characterized in that the receiving arrangement ( 31 ) a the luminous object ( 25 ) corresponding spatial filter aperture ( 28 ), on which the on the surface ( 16 ) generated image ( 26 ) of the luminous object, and a photodetector arrangement for detecting the location-filtered luminous flux (F).

Distance sensor according to Claim 10, characterized in that the photodetector arrangement comprises at least a first and a second photoreceiver ( 33 . 34 ) and a device for light separation ( 32 ) comprising the luminous flux of the first wavelength range (R1) on the first photoreceiver ( 33 ) and the luminous flux (F) of the second wavelength range (R2) on the second photoreceiver ( 34 ) steers.

Distance sensor according to claim 11, characterized in that the device ( 32 ) for diffraction has a diffraction grating.

Distance sensor according to claim 11, characterized in that the device ( 32 ) has a dispersion prism for light decomposition.

Distance sensor according to Claim 10, characterized in that the photodetector arrangement comprises a photoreceiver ( 30 ) and a chopper aperture comprising at least two color filters to control the light currents of the different wavelength ranges in succession to the photoreceiver ( 30 ).

Distance sensor according to one of Claims 10 to 14, characterized in that a lens ( 29 ) is provided to the spatially filtered luminous flux on the photoreceiver assembly ( 30 . 33 . 34 ) to focus.

Distance sensor according to one of Claims 6 to 15, characterized in that the luminous object ( 25 ) is a slit diaphragm.

Distance sensor according to one of Claims 6 to 15, characterized in that the luminous object ( 25 ) is an annular slit.

Distance sensor according to one of Claims 6 to 15, characterized in that the luminous object ( 25 ) is a straight, one-dimensional grid.

Distance sensor according to one of Claims 6 to 15, characterized in that the luminous object ( 25 ) is a ring grid constructed from annular gaps.

Distance sensor according to one of Claims 6 to 15, characterized in that the luminous object ( 25 ) is a two-dimensional grid.

Laser processing head ( 10 ) for a workpiece processing system, with an imaging optics ( 12 ), which has a working laser beam ( 13 ) into a working focal point ( 18 ) on a workpiece surface ( 16 ) and with a distance sensor ( 19 ) according to one of claims 6 to 20, wherein the beam path ( 24 ) of the image of the luminous object ( 25 ) by means of a splitter surface ( 23 ) in the working beam path ( 13 ' ) is coupled, so that the working focal point ( 18 ) substantially with the image of the luminous object ( 25 ) coincides.

Laser processing head according to claim 21, characterized in that the imaging optics ( 12 ) for the working laser beam ( 13 ) together with a collimator optics ( 22 ), at the focal point of which the luminous object ( 25 ), the imaging optics for the luminous object ( 25 ).

Laser processing head according to claim 21 or 22, characterized in that a central diaphragm is arranged in front of the receiving arrangement in order to move the laser beam from an interaction zone of working laser beam ( 13 ) and workpiece ( 17 ) coming light flux from the receiving arrangement ( 31 ) to shade.